8. Ιδεατή Μνήμη – Οργάνωση

ΤΕΙΘ-ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ : ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι / 08 1

8. Ιδεατή Μνήμη – Οργάνωση1. Εισαγωγή2. Σύνδεση και Φόρτωση3. Ιδεατές και πραγματικές διευθύνσεις4. Λογικές, σχετικές και φυσικές διευθύνσεις5. Μετάφραση διεύθυνσης6. Λογική οργάνωση7. Τμηματοποίηση ιδεατής μνήμης

1. Σελιδοποίηση 2. Πίνακες σελίδων3. Κατάτμηση4. Πίνακες τμημάτων5. Κατάτμηση με σελιδοποίηση


1. Εισαγωγή

• Η κύρια μνήμη είναι, μετά από το χρόνο χρήσης της CPU, ο δεύτερος πιο σημαντικός πόρος σε ένα υπολογιστικό σύστημα.

• Ακόμη και με σχετικά μεγάλο μέγεθος η ποσότητα της διαθέσιμης κύριας μνήμης συχνά δεν είναι ικανοποιητική.

• Η λήψη πληροφοριών από τον σκληρό δίσκο αντί της κύριας μνήμης καθυστερεί υπέρμετρα το σύστημα– 60 ns χρόνος προσπέλασης της κύριας μνήμης– 10 ms (= 10,000,000 ns) μέσος χρόνος προσπέλασης των

σκληρών δίσκων

• Πολλές διεργασίες πρέπει να συνυπάρχουν στη μνήμη


• Η διαχείριση μνήμης επιτυγχάνεται μέσω μιας πολύπλοκης σχέσης μεταξύ του υλικού μέρους του επεξεργαστή και του λογισμικού του Λ.Σ.

• Οι βασικές τεχνικές διαχείρισης μνήμης ανταγωνίζονται για τη δέσμευση περιορισμένου χώρου στην κύρια μνήμη.

• Η λύση της μεγαλύτερης κύριας μνήμης είναι συνήθως απαγορευτικά δαπανηρή.

• Η δεύτερη λύση είναι η δημιουργία της ψευδαίσθησης ότι υπάρχει περισσότερη μνήμη από όση είναι εγκατεστημένη και αποτελεί τη βασική ιδέα της ιδεατής μνήμης (virtual memory).

ΤΕΙΘ-ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ : ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι / 08 4[David Jones]

CPUMain Memory

I/O Devices

System Bus

Control Unit

Reg

iste

rs

Arithmetic LogicUnit

(ALU)

Controllers

Αρχιτεκτονική συστημάτων


CPU

Main Memory

Bus

Control Unit

Reg

iste

rs

Arithmetic LogicUnit

(ALU)

MM

U

Μνήμη και CPU


2. Σύνδεση και Φόρτωση

Το πρώτο βήμα κατά τη δημιουργία μιας ενεργής διεργασίας είναι η φόρτωση ενός προγράμματος στην κύρια μνήμη και η δημιουργία της εικόνας διεργασίας.


• Η εφαρμογή αποτελείται από έναν αριθμό μεταφρασμένων και μεταγλωττισμένων ενοτήτων (modules) με τη μορφή κώδικα αντικειμένου (object code).

• Αυτές οι ενότητες συνδέονται για την επίλυση οποιασδήποτε αναφοράς μεταξύ τους ενώ συγχρόνως πραγματοποιούνται αναφορές και σε ρουτίνες βιβλιοθήκης.

• Οι ρουτίνες βιβλιοθήκης μπορούν να ενσωματωθούν στο πρόγραμμα ή να αναφέρονται ως διαμοιραζόμενος κώδικας που πρέπει να παρέχεται από το Λ.Σ. κατά τη στιγμή της εκτέλεσης.

• Η μονάδα σύνδεσης (linker) παίρνει ως είσοδο μια συλλογή από modules αντικειμένων και παράγει ένα module φόρτωσης που αποτελείται από ένα ολοκληρωμένο σύνολο από προγράμματα και δεδομένα που θα περάσουν στον φορτωτή. Σε κάθε module αντικειμένου μπορούν να υπάρχουν αναφορές διεύθυνσης σε θέσεις άλλων modules.

• Η μονάδα φόρτωσης τοποθετεί το module που πρόκειται να φορτωθεί στην κύρια μνήμη.


Δόμηση του χώρου διευθύνσεων

Sourcecode

Sourcecode

•Compile time: μεταγλώττιση

•Load time:•Εκχώρηση πρωτεύουσας μνήμης•Διευθέτηση διευθύνσεων στο χώρο διευθύνσεων•Αντιγραφή του χώρου διευθύνσεων από τη

δευτερεύουσα στην πρωτεύουσα μνήμη

LoaderLoader Processaddressspace

Primarymemory

C

RelocObjectcode

RelocObjectcode

LinkEdit

LinkEdit

Librarycode

Librarycode

Otherobjects

Otherobjects

Secondary memory

•Link time: σύνδεση στοιχείων


• Απόλυτη φόρτωση– Το υπό φόρτωση module φορτώνεται πάντοτε στην ίδια

θέση στην κύρια μνήμη. Οι αναφορές διεύθυνσης θα πρέπει να είναι απόλυτες διευθύνσεις της κύριας μνήμης.

• Φόρτωση με μετατόπιση (relocation)– Το υπό φόρτωση module μπορεί να τοποθετηθεί

οπουδήποτε στην κύρια μνήμη. Ο interpreter ή ο compiler παράγουν διευθύνσεις σχετικές με ένα γνωστό σημείο που είναι συνήθως η αρχή του προγράμματος.

• Δυναμική εκτέλεση φόρτωσης– Το υπό φόρτωση module φορτώνεται στην κύρια μνήμη με

όλες τις αναφορές μνήμης σε σχετική μορφή. Οι απόλυτες διευθύνσεις υπολογίζονται κατά τη στιγμή εκτέλεσης μιας εντολής.


Στρατηγικές σύνδεσης

• Στατική σύνδεση (static linking) – Τα object files και οι βιβλιοθήκες συνδυάζονται

σε ένα μοναδικό εκτελέσιμο αρχείο κατά τη διάρκεια της σύνδεσης

• Δυναμική σύνδεση (dynamic linking)– Ta οbject files παραμένουν αποσυνδεδεμένα– Ο κώδικας αντιστοιχείται και συνδέεται κατά

τον χρόνο εκτέλεσης. Παράδειγμα αποτελούν οι βιβλιοθήκες συστήματος (system libraries).


3. Ιδεατές και πραγματικές διευθύνσεις

• Τα συστήματα ιδεατής μνήμης καλύπτουν τις ανάγκες των διεργασιών μέσω της ψευδαίσθησης ότι έχουν στη διάθεσή τους περισσότερη κύρια μνήμη από όση διαθέτει το υπολογιστικό σύστημα.

• Έτσι υπάρχουν δύο τύποι διευθύνσεων στα συστήματα ιδεατής μνήμης : – Αυτές στις οποίες αναφέρονται οι διεργασίες (ιδεατές

ή εικονικές διευθύνσεις – virtual addresses)– Αυτές που είναι διαθέσιμες στην κύρια μνήμη

(φυσικές ή πραγματικές διευθύνσεις – real addresses)


Εικονική και φυσική μνήμη

virtual memory (data

names)

physical memory (data

locations)0

N-1

0

M-1

translationvirtual

addressphysica

l address


4. Λογικές, σχετικές και φυσικές διευθύνσεις

• Μια λογική διεύθυνση είναι μια αναφορά σε μια θέση μνήμης ανεξάρτητα από τη φυσική δομή και οργάνωση της μνήμης

καθώς και από την τρέχουσα εκχώρηση των δεδομένων στη μνήμη. Οι compilers παράγουν κώδικα στον οποίο όλες οι

αναφορές μνήμης είναι λογικές διευθύνσεις. Οι λογικές

διευθύνσεις παράγονται από τον επεξεργαστή. Πριν πραγματοποιηθεί η πρόσβαση στην κύρια μνήμη γίνεται μετάφραση στη φυσική διεύθυνση

• Μια σχετική διεύθυνση είναι ένα παράδειγμα λογικής διεύθυνσης στο οποίο η διεύθυνση εκφράζεται ως μια θέση σχετική με ένα γνωστό σημείο του προγράμματος (π.χ. η αρχή)

• Μια φυσική ή απόλυτη διεύθυνση είναι μια φυσική θέση στην κύρια μνήμη.


5. Μετάφραση διεύθυνσης

• Οι σχετικές διευθύνσεις είναι ο πλέον συνηθισμένος τύπος λογικών διευθύνσεων που χρησιμοποιούνται στα εκτελέσιμα αρχεία (modules προγραμματισμού). Αυτά φορτώνονται στην κύρια μνήμη με όλες τις αναφορές προς τη μνήμη σε σχετική μορφή.

• Οι φυσικές διευθύνσεις «υπολογίζονται» καθώς εκτελούνται οι εντολές.

• Για να υπάρχει επαρκής απόδοση η μετάφραση από σχετικές σε φυσικές διευθύνσεις γίνεται από το υλικό.

• Τα προγράμματα των χρηστών διαχειρίζονται μόνον λογικές διευθύνσεις και δεν «βλέπουν» ποτέ τις πραγματικές φυσικές διευθύνσεις.

• Η μονάδα διαχείρισης μνήμης (Memory Management Unit - MMU) είναι μια συσκευή που αντιστοιχεί τις εικονικές σε φυσικές διευθύνσεις.


Η θέση και η λειτουργία της MMU

CPU chip

CPU

Memory

Diskcontroller

MMU

Virtual addressesfrom CPU to MMU

Physical addresseson bus, in memory


• Όταν μια διεργασία περιέρχεται σε κατάσταση εκτέλεσης ένας καταχωρητής βάσης της CPU (base register) φορτώνεται με τη φυσική διεύθυνση εκκίνησης της διεργασίας.

• Ένας καταχωρητής ορίου (bound or limit register) φορτώνεται με τη φυσική διεύθυνση τερματισμού της διεργασίας.

• Όταν προκύψει μια σχετική διεύθυνση, αυτή προστίθεται στο περιεχόμενο του καταχωρητή βάσης για να αποκτηθεί η φυσική διεύθυνση που συγκρίνεται με το περιεχόμενο του καταχωρητή ορίου.

• Αν η διεύθυνση είναι εκτός ορίων, δημιουργείται μια διακοπή (interrupt) προς το Λ.Σ.

• Αυτό παρέχει προστασία υλικού: κάθε διεργασία μπορεί να έχει πρόσβαση μόνον στη δική της εικόνα (process image).

• Συμπέρασμα : Το υλικό μέρος του επεξεργαστή και το λογισμικό του Λ.Σ. μεταφράζουν τις αναφορές στη μνήμη που περιέχει ο κώδικας του προγράμματος σε πραγματικές διευθύνσεις της φυσικής μνήμης.

ΤΕΙΘ-ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ : ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι / 08

Υποστήριξη υλικού μέρους για τη μετατόπιση

Interrupt tooperating system

Process image inmain memory

Relative address

Absoluteaddress

Process Control Block

Program

Data

Stack

Adder

Comparator

Base Register

Bounds Register


Καταχωρητές βάσης και ορίου

Processpartition

OS0

0xFFFF

Limit

Base

0x2000

0x9000

λογική διεύθυνση: 0x1204φυσική διεύθυνση:0x1204+0x9000 = 0xa204 < 0x2000 δεν υπάρχει σφάλμα


6. Λογική οργάνωση

• Η κύρια μνήμη σε ένα υπολογιστικό σύστημα οργανώνεται ως ένας γραμμικός, μονοδιάστατος χώρος διευθύνσεων

• Η δευτερεύουσα μνήμη, σε φυσικό επίπεδο, οργανώνεται με παρόμοιο τρόπο.

• Τα προγράμματα οργανώνονται και γράφονται σε ενότητες (modules).

• Οι ενότητες αυτές γράφονται και μεταφράζονται ανεξάρτητα.

• Στις ενότητες δίνονται διαφορετικοί βαθμοί προστασίας (read-only, execute-only)

• Οι ενότητες μπορούν να διαμοιράζονται μεταξύ των διεργασιών


• Ο πολυπρογραμματισμός είναι απαραίτητος για την αποτελεσματικότητα των συστημάτων.

• Η μνήμη για τον πολυπρογραμματισμό χρειάζεται– Επανατοποθέτηση (Relocation)– Προστασία (Protection)

• Το ΛΣ δεν μπορεί να είναι βέβαιο σε ποιο τμήμα της μνήμης θα φορτωθεί ένα πρόγραμμα– Μεταβλητές και διαδικασίες δεν μπορούν να

χρησιμοποιούν απόλυτες διευθύνσεις μνήμης


• Το ΛΣ πρέπει να διατηρεί ξεχωριστά τη μνήμη για κάθε διεργασία– Προστασία μιας διεργασίας από άλλες που θέλουν να

διαβάσουν ή να γράψουν στη δική της περιοχή μνήμης– Προστασία μιας διεργασίας από την τροποποίηση της δικής

της μνήμης με ανεπιθύμητο τρόπο (πχ γράφοντας στο τμήμα κώδικα)

• Το Λ.Σ. πρέπει να επιτρέπει σε πολλές διεργασίες να έχουν πρόσβαση στην ίδια περιοχή της μνήμης.– Είναι προτιμότερο να επιτρέπεται η πρόσβαση σε μια

διεργασία (σε ένα άτομο) στο ίδιο αντίγραφο του προγράμματος από το να υπάρχει ένα αντίγραφο για κάθε μια διεργασία.

• Για να ικανοποιηθούν αυτές τις ανάγκες χρησιμοποιείται ως εργαλείο ή τμηματοποίηση της ιδεατής μνήμης.


7. Τμηματοποίηση ιδεατής μνήμης

• Η ιδεατή μνήμη χρησιμοποιεί τρεις βασικές τεχνικές :

– Σελιδοποίηση (paging)

– Κατάτμηση (segmentation)

– Κατάτμηση με σελιδοποίηση (segmentation with

paging)


7.1 Σελιδοποίηση

• Η κατάτμηση της μνήμης σε μικρά ίσου μεγέθους τμήματα (blocks, chunks) και η διαίρεση κάθε διεργασίας σε τμήματα του ίδιου μεγέθους

• Τα τμήματα μιας διεργασίας λέγονται σελίδες(pages) και τα τμήματα της μνήμης πλαίσια (frames).

• Ο εικονικός χώρος διευθύνσεων διαμοιράζεται σε σελίδες σταθερού μεγέθους, ενώ η φυσική μνήμη διαμοιράζεται σε πλαίσια σελίδας (page frames) (μεγέθους ίδιου με τη σελίδα).

• Μια σελίδα μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε πλαίσιο σελίδας


virtual pages page

frames


0–4K4–8K8–12K12–16K16–20K20–24K24–28K28–32K

70–4K44–8K

8–12K12–16K

016–20K20–24K24–28K

328–32K32–36K36–40K

140–44K544–48K648–52K-52–56K

56–60K-60–64K

Virtualaddressspace

Physicalmemory

-

--

--

--

virtual page

page frame


• Το Λ.Σ. διατηρεί – ένα πίνακα σελίδων (page table) για κάθε διεργασία που

περιέχει τη θέση πλαισίου για κάθε σελίδα της διεργασίας.– μια λίστα των ελεύθερων πλαισίων, με όλα τα πλαίσια

στην κύρια μνήμη που είναι ελεύθερα και διαθέσιμα για τις σελίδες.

• Η διεύθυνση μνήμης μέσα στο πρόγραμμα (λογική διεύθυνση) αποτελείται από έναν αριθμό σελίδας και μια μετατόπιση (offset) εντός της σελίδας

• Ο επεξεργαστής χρησιμοποιεί τον πίνακα σελίδων για να παράγει τη φυσική διεύθυνση (αριθμός πλαισίου, μετατόπιση) που αντιστοιχεί σε μια λογική διεύθυνση (αριθμός σελίδας, μετατόπιση).


0

Page frame number

Logical memory (P0)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Physicalmemory

Page table (P0)

Logical memory (P1) Page table (P1)

Page 4

Page 3

Page 2

Page 1

Page 0

Page 1

Page 0

0

8

2

9

4

3

6

Page 3 (P0)

Page 0 (P1)

Page 0 (P0)

Page 2 (P0)

Page 1 (P0)

Page 4 (P0)

Page 1 (P1)

Freepages

Αντιστοίχηση σελίδων διεργασιών με ελεύθερα πλαίσια


παράδειγμα:• 4 KB (=4096 byte) pages• 32 bit logical addresses

p d

2d = 4096 d = 12

12 bits

32 bit logical address

32-12 = 20 bits

Αντιστοίχιση λογικών σε φυσικές διευθύνσεις

• Διαίρεση της διεύθυνσης από τη CPU σε δύο τμήματα– Αριθμός σελίδας ( p )– Μετατόπιση στη σελίδα

( d )• Αριθμός σελίδας

– Δείκτης στον πίνακα σελίδων

– Ο πίνακας σελίδων περιέχει τη διεύθυνση βάσης της σελίδας στη φυσική μνήμη

• Μετατόπιση στη σελίδα– Προστίθεται στη διεύθυνση

βάσης για να βρεθεί η πραγματική διεύθυνση στη φυσική μνήμη

• Μέγεθος σελίδας = 2d bytes


page number

p d

page offset

0

1

p-1

p

p+1

f

f d

Page frame number

...

page tablephysical memory

0

1...

f-1

f

f+1

f+2...

Page frame number

CPU

Αρχιτεκτονική μετάφρασης της διεύθυνσης


Παράδειγμα - 1


0 0 1 00 0 1 0

Παράδειγμα - 2

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

12-bit offset

Outgoing physical address

4-bit indexinto page tablevirtual page = 0010 = 2

Incoming virtual address(0x2004, 8196)

0 010 11 001 12 110 13 000 14 100 15 011 16 000 07 000 08 000 09 101 1

10 000 011 111 112 000 013 000 014 000 015 000 0Page table

0 0 1 0

present bit

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

(0x6004, 24580)

1 1 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

Παράδειγμα:• 4 KB pages (12-bit offsets)• 16 bit virtual address space 16 pages (4-bit index)• 8 physical pages (3-bit index)


• Η σελιδοποίηση είναι ανάλογη με την τμηματοποίηση σταθερού μεγέθους, με τις εξής διαφορές:1. τα τμήματα δεν χρειάζεται να είναι συνεχόμενα2. Τα τμήματα είναι αρκετά μικρά3. Ένα πρόγραμμα μπορεί να απασχολεί περισσότερα από ένα

τμήματα

• Η σπατάλη μνήμης οφείλεται στον εσωτερικό κατακερματισμό που είναι κλάσμα της τελευταίας σελίδας της διεργασίας. Εξωτερικός κατακερματισμός δεν υπάρχει.


• Το μέγεθος σελίδας και πλαισίου είναι δύναμη του 2 (συνήθως μεταξύ 512 bytes και 8192 bytes).

• Αποδεικνύεται ότι η σχετική διεύθυνση που ορίζεται σε σχέση με την αρχή του προγράμματος και η λογική διεύθυνση που εκφράζεται ως ένας αριθμός σελίδας και μετατόπιση, είναι ΙΔΙΕΣ.

• Ωφέλη της χρήσης μεγεθών σελίδας που είναι δυνάμεις του 2:– Το σχήμα της λογικής διευθυνσιοδότησης δεν είναι

εμφανές στον προγραμματιστή.– Είναι εύκολη η εφαρμογή μιας συνάρτησης σε επίπεδο

υλικού μέρους που θα πραγματοποιεί δυναμική μετάφραση των διευθύνσεων κατά τη στιγμή της εκτέλεσης.


Μέγεθος σελίδας

Μικρό μέγεθος σελίδας• πλεονεκτήματα

– Λιγότερος εσωτερικός κατακερματισμός – καλύτερο ταίριασμα για διάφορες δομές

δεδομένων και τμήματα κώδικα– Λιγότερο μη χρησιμοποιούμενο πρόγραμμα

στη μνήμη

• μειονεκτήματα– Τα προγράμματα χρειάζονται πολλές σελίδες

και μεγαλύτερους πίνακες σελίδων


Λογικές διευθύνσεις - παραδείγματα


Σελιδοποίηση


Εσωτερική λειτουργία της MMU με 16 σελίδες

των 4 KB


7.2 Πίνακες σελίδων

• Κάθε διεργασία έχει τον δικό της εικονικό χώρο διευθύνσεων, άρα και τον δικό της πίνακα σελίδων που αποθηκεύεται στην κύρια μνήμη.

• Κάθε καταχώρηση (θέση) του πίνακα σελίδων περιέχει τον αριθμό πλαισίου της αντίστοιχης σελίδας στην κεντρική μνήμη

• Επιπλέον απαιτούνται :– ένα bit (Present bit) που θα δείχνει αν μια σελίδα βρίσκεται

στην κεντρική μνήμη ή όχι– ένα bit (Modify bit) για να δείχνει αν η σελίδα έχει αλλάξει

από την τελευταία φορά που φορτώθηκε στην κεντρική μνήμη. Αν δεν έχει γίνει αλλαγή, τότε η σελίδα δεν πρέπει να γραφεί στο δίσκο όταν χρειάζεται να γίνει εναλλαγή.


Είσοδοι πίνακα σελίδων


Παράδειγμα

page 0

page 0

page 2

virtual memory

physical memory

page 1

page 2

page 3

1

3

6

0

1

2

3

4

5

6

7

page 3

.

.

.

.

.

.

.

.

1P

0

1

1

Page Table


Πολλαπλές διεργασίες στη φυσική μνήμη

page A0

page A0

page A2

page B1

process Avirtual memory

physical memory

page A1

page A2

page A3

1

3

6 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

page A3

.

.

.

.

.

.

.

.

1

page table A

0

1

1

page B0

page B3

page B0

process Bvirtual memory

page B1

page B2

page B3

8

10

.

.

.

.

.

.

.

.

1

page table B

1

1

0

4


Πίνακες σελίδων – valid bit

Memory residentpage table

(physical page or disk address) Physical Memory

Disk Storage(swap file orregular file system file)

Valid

1

1

111

1

10

0

0

Virtual PageNumber


Προστασία

• Κάθε είσοδος στον πίνακα σελίδων περιέχει πληροφορίες για τα δικαιώματα πρόσβασης (access rights)

Page Tables

Process i:

Physical AddrRead? Write?

PP 9Yes No

PP 4Yes Yes

XXXXXXX No No

VP 0:

VP 1:

VP 2:•••

•••

•••

Process j:

0:1:

N-1:

Memory

Physical AddrRead? Write?

PP 6Yes Yes

PP 9Yes No

XXXXXXX No No•••

•••

•••

VP 0:

VP 1:

VP 2:


Αντιστοίχιση διευθύνσεων : Πίνακας σελίδων

Virtual Address:page no.offset

Page TableBase Reg

Ο πίνακας σελίδων βρίσκεται στη φυσική μνήμη

indexintopagetable

+

PhysicalMemoryAddress

Page Table

Val-id

AccessRights

PhysicalPageAddress

…

V A.R. P. P. A.

...

...


Πίνακες σελίδων

• Ο πίνακας σελίδων έχει μέγιστο πλήθος εισόδων όσο και το πλήθος των εικονικών σελίδων της διεργασίας.

• Ο πίνακας σελίδων είναι μεταβλητού μήκους (το μήκος του εξαρτάται από το μέγεθος της διεργασίας) και πρέπει να βρίσκεται στην κύρια μνήμη για να είναι προσπελάσιμος.

• Ολόκληρος ο πίνακας σελίδων είναι πιθανόν να καταλαμβάνει πολύ μεγάλο μέρος της κεντρικής μνήμης.

• Το μέγεθος της μνήμης που αφιερώνεται στους πίνακες σελίδων μπορεί να γίνει απαράδεκτα μεγάλο.

• Μεγαλύτερο μέγεθος σελίδας είναι μια ενδεδειγμένη λύση;

• Τα περισσότερα συστήματα ιδεατής μνήμης αποθηκεύουν τους πίνακες των σελίδων στην ιδεατή μνήμη, αντί για τη φυσική. Όταν μια διεργασία εκτελείται, ένα τμήμα του πίνακα σελίδων της βρίσκεται στην κεντρική μνήμη.


• Κάθε πίνακας σελίδων χρησιμοποιεί τους καταχωρητές :– Page Table Base Register (PTBR) :

• κρατά την αρχική φυσική διεύθυνση του πίνακα σελίδων της εκτελούμενης διεργασίας

– Page-table length register (PRLR) : • το υλικό ελέγχει αν ο αριθμός σελίδας

βρίσκεται εντός του ορίου και το μέγεθος του πίνακα σελίδων περιορίζεται.

• Ορισμένοι επεξεργαστές (Pentium) χρησιμοποιούν πίνακες σελίδων πολλαπλών επιπέδων για να οργανώσουν καλύτερα μεγάλους πίνακες σελίδων.


Παράδειγμα• Αν χρησιμοποιούνται 32 bits για εικονικό χώρο

διευθύνσεων με μέγεθος σελίδων 4KB τότε ένας πίνακας σελίδων μπορεί να έχει 220 εισόδους (θέσεις).

• Αν κάθε θέση του καταλαμβάνει 4 bytes τότε δεσμεύεται χώρος κύριας μνήμης :

220 Χ 4 bytes = 222 bytes = 4 MB• Αν στο σύστημα «τρέχουν» 25 διεργασίες τότε απαιτείται

χώρος για τους πίνακες σελίδων : 25 Χ 4 ΜΒ = 100 ΜΒ!!!!• Μέγεθος φυσικής μνήμης 4Gb είναι συνηθισμένο και

πιθανό ; • Ήδη χρησιμοποιείται διευθυνσιοδότηση 64-bits για την

αύξηση του εικονικού χώρου διευθύνσεων:• Intel Itanium, AMD Clawhammer, DEC Alpha


Main Memory

CPU

logical address

physical address

Level 1Page Table

p1 p2 offset

frame # offset

page #

Level 2Page Tables

p2

Πίνακες σελίδων 2 επιπέδων


Σχήμα 2 επιπέδων για 32-bit διεύθυνση


Translation Look-aside Buffer (TLB)• Κάθε αναφορά στην ιδεατή μνήμη προκαλεί δύο προσβάσεις στη

φυσική μνήμη. – Μία για την προσκόμιση (fetch) του πίνακα σελίδων, ώστε τελικά να

δημιουργηθεί η φυσική διεύθυνση– Μία για την προσκόμιση των δεδομένων που υπάρχουν στη διεύθυνση

• Ένα άμεσο σχήμα ιδεατής μνήμης θα οδηγούσε σε διπλασιασμό του χρόνου προσπέλασης της μνήμης.

• Η βελτίωση της ταχύτητας πρόσβασης επιτυγχάνεται με τη χρήση ειδικής cache μνήμης υψηλής ταχύτητας που ονομάζεται :

– Translation Look-aside Buffer (TLB) – ενδιάμεσος χώρος για τη μετάφραση σελίδων μνήμης που :

• αποθηκεύει τις καταχωρήσεις του πίνακα σελίδων,• περιέχει τις καταχωρήσεις του πίνακα σελίδων που έχουν

χρησιμοποιηθεί πρόσφατα και• λειτουργεί με τρόπο παρόμοιο με αυτόν της μνήμης cache

• Το TLB αναφέρεται συχνά και με τον όρο associative registers


TLB (2)

• Δεδομένης μιας εικονικής διεύθυνσης ο επεξεργαστής εξετάζει το TLB

• Αν η καταχώρηση στον πίνακα σελίδων υπάρχει (ευστοχία - hit) γίνεται ανάκτηση του αριθμού πλαισίου και δημιουργείται η πραγματική διεύθυνση.

• Αν η καταχώρηση στον πίνακα σελίδων δεν βρεθεί (αστοχία - miss), ο αριθμός σελίδας χρησιμοποιείται ως δείκτης στον πίνακα σελίδων της διεργασίας. Αν η ζητούμενη σελίδα υπάρχει εκεί ανακτάται και το TLB ενημερώνεται ώστε να συμπεριλάβει τη νέα είσοδο σελίδας. Αν η σελίδα δεν υπάρχει στον πίνακα σελίδων (άρα και στην κύρια μνήμη) απορρέει ένα σφάλμα σελίδας (page fault).

• Ως αναλογία επιτυχίας (hit ratio) ορίζεται το ποσοστό των επιτυχών αναζητήσεων μιας σελίδας στο TLB


Σύγκριση άμεσης και συσχετιζόμενης αναζήτησης στον πίνακα σελίδων


Λειτουργία του TLB


• Ο μέσος χρόνος προσπέλασης της κύριας μνήμης εξαρτάται από το πόσο συχνά ο ζητούμενος αριθμός σελίδας βρίσκεται στο TLB– Αυτό είναι γνωστό και ως hit ratio

• Ο πραγματικός χρόνος προσπέλασης (EAT) υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη την περίπτωση να βρεθεί ή να μη βρεθεί η ζητούμενη σελίδα σύμφωνα με την πιθανότητα που δίνει το hit ratio

EAT = hit ratio * entry found + (1-hit ratio) * entry not found

Effective Access Time


• Βασικές παραδοχές– memory access time: 60 ns; TLB access time: 6 ns

• EAT χωρίς σελιδοποίηση: 60 ns• EAT με χρήση του πίνακα σελίδων: 60 ns + 60 ns = 120

ns• EAT TLB/πίνακας σελίδων

– hit ratio 90%• EAT = 0.9 * (6 + 60) + 0.1 * (6 + 60 + 60)

= 59.4 + 12.6 = 72• 20% απώλεια απόδοσης σε σχέση με τη μη σελιδοποίηση

– hit ratio 99%• EAT = 0.99 * (6 + 60) + 0.01 * (6 + 60 + 60)

= 65.34 + 1.26 = 66.60• 11% απώλεια απόδοσης σε σχέση με τη μη σελιδοποίηση

Παράδειγμα EAT


• Τα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα έχουν σελίδες μεγέθους 4K (=4096 bytes)- (Sun SPARC 4Kb pages, Intel x86: 4Kb pages)

• Για τη διευθυνσιοδότηση χρησιμοποιούνται 32 bits δηλαδή υποστηρίζεται μέγιστο μέγεθος κεντρικής μνήμης 4GB.

• Το μέγεθος της εικονικής μνήμης είναι πολύ μεγαλύτερο από τη διαθέσιμη φυσική μνήμη του συστήματος.

• Ο πίνακας σελίδων έχει 220 θέσεις (εισόδους) και κάθε είσοδος έχει μέγεθος 4 bytes. Άρα δεσμεύει 4MB κεντρικής μνήμης.


code

data

editor process

5

2

3

4

P00

editor

editor

editor

data - P2

data - P0

data - P1

page tables 5

2

3

0

P1

5

2

3

7

P2

1

2

3

4

5

6

7Διαμοιραζόμενες σελίδες


• Διαμοιραζόμενος κώδικας– Μόνο για ανάγνωση επανεισαγόμενος (reentrant)

διαμοιραζόμενος κώδικας μεταξύ των διεργασιών

– Ο διαμοιραζόμενος κώδικας εμφανίζεται στην ίδια θέση στο φυσικό χώρο διευθύνσεων

• Ιδιωτικός κώδικας και δεδομένων – Κάθε διεργασία διατηρεί ένα ξεχωριστό

αντίγραφο του κώδικα και των δεδομένων.– Οι ιδιωτικές σελίδες μπορούν να εμφανίζονται

οπουδήποτε στο φυσικό χώρο διευθύνσεων.


Άσκηση - 28

• Ποιο είναι το μεγαλύτερο μέγεθος προγράμματος που χωρά σε ένα πίνακα σελίδων σε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί φυσικές διευθύνσεις 32-bit και μέγεθος σελίδας 1K;

• ΛΥΣΗ– ΦΥΣ. ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ 32 bits χώρος διευθύνσεων 232

διαφορετικές διευθύνσεις– Μέγεθος σελίδας 1K= 210 διευθύνσεις μνήμης– ΑΡΑ : μέγιστο πλήθος σελίδων = 232/210=222 – Κάθε διεύθυνση των 32 bits (=4 bytes) πρέπει να

χωρά σε κάθε μια από τις 222 θέσεις του πίνακα σελίδων άρα μέγεθος του πίνακα σελίδων : 222 X 4bytes = 16Mb

– μεγαλύτερο μέγεθος προγράμματος : 16Mb


Άσκηση - 29

• Δίνεται ο πίνακας σελίδων μιας διεργασίας :

1. Ποιο είναι το μικρότερο δυνατό μέγεθος σελίδας;

2. Δώστε σε δυαδική μορφή τη φυσική διεύθυνση της εικονικής διεύθυνσης 1234

3. Δώστε σε δεκαδική μορφή τη φυσική διεύθυνση της εικονικής διεύθυνσης 3333

Page No

Frame No

0 5

1 3

2 4

3 0

4 1

5 2


Λύση Άσκησης - 29

• Γιατί το μέγεθος σελίδας είναι 1K;

– Έστω μέγεθος σελίδας 512 bytes (=29 bytes)

• Η εικονική διεύθυνση 3333 απαιτεί 6 γεμάτες

σελίδες (=512 Χ 6 =3072) και στην 7η σελίδα

μετατόπιση (offset) = 3333-3072=261

• Άρα απαιτούνται αριθμοί σελίδων

0,1,2,3,4,5,6,7


• Ο πίνακας όμως δεν έχει αριθμό σελίδας μεγαλύτερο του 5. Στην περίπτωση που θεωρηθεί ως μέγεθος σελίδας 512 bytes αυτομάτως η διεύθυνση 3333 είναι εκτός μνήμης, ΑΔΥΝΑΤΟ ΔΙΟΤΙ μας δίνεται ότι ο πίνακας σελίδων της διεργασίας υφίσταται.

• ΕΠΟΜΕΝΩΣ Ο ΕΠΟΜΕΝΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΠΟΥ ΥΠΑΡΧΕΙ ΩΣ ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ 2 ΕΊΝΑΙ 210 =1024 bytes=1ΚΒ


Άσκηση - 30

• Θεωρείστε ένα λογικό χώρο διευθύνσεων που αποτελείται από οκτώ σελίδες με μέγεθος κάθε σελίδας 1024 bytes, που αντιστοιχείται σε μια φυσική μνήμη που αποτελείται από 32 frames.

• Πόσα bits υπάρχουν στη λογική διεύθυνση? • Πόσα bits υπάρχουν στη φυσική διεύθυνση?


Άσκηση - 31

• Σε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί σελιδοποίηση μια διεργασία δεν μπορεί να έχει πρόσβαση σε μνήμη που δεν της ανήκει. Γιατί;

• Μια διεύθυνση σε ένα σύστημα με σελιδοποίηση αποτελείται από έναν αριθμό σελίδας και μια μετατόπιση. Η φυσική σελίδα (πλαίσιο) υπολογίζεται μέσω της αναζήτησης στον πίνακα σελίδων της διεργασίας. Επειδή το Λ.Σ. ελέγχει τα περιεχόμενα αυτού του πίνακα μπορεί να περιορίσει μια διεργασία ώστε να έχει πρόσβαση μόνον σε εκείνες τις φυσικές σελίδες (πλαίσια) που της έχουν εκχωρηθεί. Δεν υπάρχει τρόπος για μια διεργασία να αναφερθεί σε σελίδα που δεν της ανήκει επειδή ο αριθμός αυτός δεν βρίσκεται στον πίνακα σελίδων της.


• Για να επιτραπεί μια τέτοια πρόσβαση το Λ.Σ. απλά χρειάζεται να επιτρέψει σε τμήματα της μνήμης που δεν ανήκουν σε μια διεργασία να προστεθούν στον πίνακα σελίδων της διεργασίας. Αυτό είναι χρήσιμο όταν δύο ή περισσότερες διεργασίες χρειάζεται να ανταλλάσσουν δεδομένα που μόλις διάβασαν και να τα γράψουν στην ίδια φυσική διεύθυνση (που είναι δυνατόν να αντιστοιχεί σε διαφορετικές λογικές διευθύνσεις). Η διαδικασία αυτή καθιστά πολύ αποτελεσματική την δια-διεργασιακή (Interprocess) επικοινωνία.


Άσκηση - 32

• Θεωρείστε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί :– απλή σελιδοποίηση και– τεχνική TLB

• Αν μια αναφορά στη μνήμη απαιτεί 400ns, μια αναφορά στο TLB απαιτεί 50ns και το ποσοστό επιτυχίας (hit - rate) στο TLB είναι 80% ποιος είναι ο πραγματικός χρόνος αναφοράς στη μνήμη; Πόση είναι η βελτίωση στην ταχύτητα (speed-up) λόγω χρήσης της τεχνικής TLB;


Λύση άσκησης 32

• Απλή σελιδοποίηση : Κάθε αναφορά στη μνήμη απαιτεί 2 προσπελάσεις άρα συνολικός χρόνος : 400ns + 400ns = 800 ns

• Απλή σελιδοποίηση και TLB :– Επιτυχία (hit) στο TLB : 50ns + 400ns = 450ns– Αποτυχία (miss) στοTLB : 50ns + 400ns + 400ns

= 850ns

• Πραγματικός χρόνος προσπέλασης με απλή σελιδοποίηση και TLB :– 450*80% + 850*20% = 530ns

• Speed-up = 800/530 = 1.51


7.3 Κατάτμηση (segmentation)

• Ένα τμήμα (segment) είναι ένα μεταβλητού μεγέθους σύνολο συνεχόμενων διευθύνσεων μνήμης στον ιδεατό χώρο διευθύνσεων μιας διεργασίας που οργανώνεται και διαχειρίζεται από το Λ.Σ. ως μια ενιαία μονάδα.

• Κατάτμηση είναι ο τρόπος οργάνωσης της ιδεατής μνήμης σε τμήματα.

• Μια διεύθυνση αποτελείται από δύο μέρη – έναν αριθμό τμήματος και μια μετατόπιση (offset).


• Τα τμήματα δεν είναι ίσα και η κατάτμηση είναι παρόμοια με τη δυναμική τμηματοποίηση. Μειώνεται ο εσωτερικός κατακερματισμός.

• Τα τμήματα μπορούν να έχουν δυναμικό μέγεθος ώστε να απλοποιείται η διαχείριση δυναμικών δομών δεδομένων

• Η κατάτμηση :– επιτρέπει στα προγράμματα να τροποποιούνται

και να μεταφράζονται εκ νέου ανεξάρτητα– είναι κατάλληλη για διαμοίραση και προστασία

δεδομένων


Κατάτμηση (Segmentation)

0

5a68

base=eb04bound=5a68

0

0

2010

714b

0

1

2

0

1ff5

eb04

410a

base=1ff5bound=2010

base=410abound=714b

Μια εικονική διεύθυνση είναι ένας αριθμός τμήματος (segment number) και μια μετατόπιση offset.

Κάθε τμήμα τοποθετείται σε μια συνεχόμενη περιοχή της μνήμης.


Μετατροπή διεύθυνσης σε σύστημα με κατάτμηση (1)


• Η κατάτμηση είναι φανερή στον προγραμματιστή σε αντίθεση με τη σελιδοποίηση, και παρέχεται ως διευκόλυνση για την οργάνωση προγραμμάτων και δεδομένων (αρκεί ο προγραμματιστής να γνωρίζει τα όρια τμημάτων που αναγνωρίζει η γλώσσα προγραμματισμού καθώς και αν όλα μπορούν να έχουν δυναμικό μέγεθος!!!).

• Ο προγραμματιστής βλέπει το πρόγραμμα σαν συλλογή από segments π.χ. main program, function, objects, global variables, stack…

• Δεν υπάρχει μια απλή συσχέτιση μεταξύ των λογικών και των φυσικών διευθύνσεων.


Παράδειγμα συστήματος με τμήματα


Πλεονεκτήματα της κατάτμησης

• Η εικόνα της μνήμης είναι η εικόνα που έχει ο προγραμματιστής (ή ο έμπειρος χρήστης)

• Τα τμήματα προστατεύονται μεταξύ τους– Κάθε τμήμα περιέχει ένα τύπο πληροφορίας (πχ,

instructions, stack, …)

• Η διαμοίραση τμημάτων είναι λογική και εύκολη– Αν όλες οι εντολές είναι σε ένα τμήμα και όλα τα

δεδομένα σε άλλο, το τμήμα εντολών μπορεί να διαμοιραστεί ελεύθερα σε διαφορετικές διεργασίες (κάθε μια με τα δικά της δεδομένα)


Διαμοίραση τμημάτων


Μετατροπή διεύθυνσης σε σύστημα με κατάτμηση (2)


Κατάτμηση : μετατροπή λογικών σε φυσικές διευθύνσεις


Ανάλυση του παραδείγματος

• Λογική διεύθυνση : 0001001011110000

• Αριθμός τμήματος : 4 bits και είναι ο αριθμός 0001

• Μετατόπιση τμήματος 12 bits • Μέγιστο μέγεθος τμήματος 212=4096

bytes• Η μετατόπιση της λογικής διεύθυνσης

αντιστοιχεί στον αριθμό : 512+128+64+32+16=(752)10

2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1

0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0


Μετάφραση σε φυσική διεύθυνση

1. Αριθμός τμήματος 00012. Ο αριθμός αυτός χρησιμοποιείται στον

segment table της διεργασίας για να βρεθεί η φυσική διεύθυνση της αρχής του τμήματος

3. Συγκρίνεται η μετατόπιση με το μήκος του τμήματος. Αν ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ > ΜΗΚΟΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ προκύπτει ΜΗ ΕΓΚΥΡΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ

4. ΦΥΣΙΚΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ = ΑΘΡΟΙΣΜΑ : ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗΣ ΑΡΧΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ + ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ


• Από τον process segment table προκύπτει ότι το segment 0 έχει μήκος : 512 + 128 + 64 + 32 + 8 + 4 + 2 = 750

2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1

0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

•Άρα η λογική διεύθυνση πράγματι βρίσκεται στο segment 1 (επειδή 752 > 750)

•Για να βρεθεί η φυσική διεύθυνση θα προσθέσω τη μετατόπιση στη βάση του segment 1 :

base 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

offset 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0

address 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0


7.4 Πίνακες Τμημάτων (Segment Tables)

• Αντιστοιχίζουν τα segments στην κύρια μνήμη• Κάθε είσοδος περιέχει τον αριθμό και το μήκος του

segment• Απαιτούνται :

– ένα bit για να αποφασιστεί αν το segment είναι ήδη στην κύρια μνήμη

– ένα επιπλέον bit για να αποφασιστεί αν το segment έχει μεταβληθεί από τότε που φορτώθηκε στην κύρια μνήμη

• Ο πίνακας τμημάτων έχει μεταβλητό μέγεθος, βρίσκεται στην κύρια μνήμη και ένας καταχωρητής κρατά την αρχική διεύθυνση του πίνακα τμημάτων για τη διεργασία που εκτελείται


Είσοδοι Πίνακα Τμημάτων


Η αρχιτεκτονική της κατάτμησης

• Ο compiler δημιουργεί segments για : main( ), functions, globals, …– Κάθε τμήμα αποθηκεύεται ξεχωριστά στη μνήμη– Πρέπει να υπάρχει υποστήριξη υλικού για την αντιστοίχιση

λογικών διευθύνσεων (segment number + offset) σε φυσικές διευθύνσεις

• Καταχωρητές που χρησιμοποιούνται– segment table base register (STBR) : δείχνει στη

διεύθυνση μνήμης του πίνακα τμημάτων στη μνήμη

– segment table length (limit) register (STLR): δείχνει τον αριθμό των τμημάτων που χρησιμοποιεί το πρόγραμμα


Σύγκριση απλής κατάτμησης και σελιδοποίησης

• Η κατάτμηση απαιτεί περισσότερο σύνθετο hardware για τον μετασχηματισμό των διευθύνσεων

• Η κατάτμηση έχει το μειονέκτημα του εξωτερικού κατακερματισμού

• Η σελιδοποίηση δημιουργεί πολύ μικρό εσωτερικό κατακερματισμό

• Η κατάτμηση είναι ορατή από τον προγραμματιστή ενώ η σελιδοποίηση είναι αδιαφανής

• Η κατάτμηση θεωρείται ως πλεονέκτημα που προσφέρεται στον προγραμματιστή για να οργανώσει λογικά ένα πρόγραμμα σε segments και να χρησιμοποιήσει διαφορετικά είδη προστασίας (π.χ. execute-only, read-write) – Για το σκοπό αυτό στους πίνακες τμημάτων πρέπει να

χρησιμοποιούνται bits προστασίας


Σύγκριση σελιδοποίησης και κατάτμησης

σελιδοποίηση κατάτμηση

Είναι απαραίτητο να γνωρίζει ο προγραμματιστής ότι χρησιμοποιείται αυτή η τεχνική;

ΟΧΙ ΝΑΙ

Πόσοι χώροι γραμμικών διευθύνσεων υπάρχουν;

1 ΠΟΛΛΟΙ

Ο συνολικός χώρος διευθύνσεων υπερβαίνει το μέγεθος της φυσικής μνήμης;

ΝΑΙ ΝΑΙ

Μπορούν οι διαδικασίες και τα δεδομένα να διαχωριστούν και να προστατευθούν ξεχωριστά;

ΟΧΙ ΝΑΙ

Μπορούν πίνακες με αυξομειούμενο μέγεθος να εξυπηρετηθούν εύκολα;

ΟΧΙ ΝΑΙ

Διευκολύνεται η διαμοίραση των διαδικασιών μεταξύ των χρηστών;

ΟΧΙ ΝΑΙ

Ποιος είναι ο σκοπός αυτής της τεχνικής; Η απόκτηση ενός μεγάλου γραμμικού χώρου διευθύνσεων

χωρίς να είναι αναγκαία η αγορά επιπλέον φυσικής μνήμης

Να δοθεί η δυνατότη-τα σε

προγράμματα και δεδομένα να δια-

σπαστούν σε ανεξάρ-τητες

λογικές ενότη-τες που διαμοιρά-

ζονται και προστα-τεύονται εύκολα.


7.5 Κατάτμηση με σελιδοποίηση

• Οι σύγχρονοι υπολογιστές χρησιμοποιούν συνδυασμό κατάτμησης και σελιδοποίησης

• Ο χώρος διευθύνσεων του χρήστη χωρίζεται σε ένα πλήθος τμημάτων και κάθε τμήμα διασπάται σε ένα πλήθος σελίδων σταθερού μεγέθους που είναι το ίδιο με το μέγεθος πλαισίου της κύριας μνήμης.

• Κάθε διεργασία συνδέεται με έναν πίνακα τμήματος και έναν αριθμό από πίνακες σελίδων, έναν για κάθε τμήμα της διεργασίας.

• Επιλύεται το πρόβλημα του εξωτερικού κατακερματισμού μέσω της σελιδοποίησης των τμημάτων

• Κάθε είσοδος στον πίνακα τμημάτων δεν περιέχει τη διεύθυνση βάσης του τμήματος, αλλά τη διεύθυνση βάσης του πίνακα σελίδων που αντιστοιχεί στο τμήμα.


Είσοδοι πινάκων τμημάτων και σελίδων


Μετατροπή διεύθυνσης (1)


Μετατροπή διεύθυνσης (2)


Άσκηση - 33

• Σε μια αρχιτεκτονική χρησιμοποιούνται λογικές διευθύνσεις των 32 bits χωρισμένες ως εξής :

4-bit segment number | 12-bit page number | 16-bit offset

Ποιο είναι το μέγεθος σελίδας;Ποιο είναι το μέγιστο μήκος τμήματος;


Άσκηση - 34

• Υποθέστε ότι μια διεργασία χωρίζεται σε 4 ίσου μεγέθους τμήματα, και ότι το σύστημα δημιουργεί έναν πίνακα σελίδων 8 θέσεων για κάθε τμήμα (συνδυασμός κατάτμησης και σελιδοποίησης). Υποθέστε επίσης ότι το μέγεθος σελίδας είναι 2 Kb.

a. Ποιο είναι το μέγιστο μέγεθος κάθε τμήματος? b. Ποια είναι ο μέγιστος λογικός χώρος διευθύνσεων

για κάθε διεργασία; c. Ποια είναι η μορφή μιας λογικής διεύθυνσης στην

περίπτωση αυτή;


Άσκηση – 35 (Σεπτέμβριος 2003)

• Θεωρείστε τον ακόλουθο πίνακα τμημάτων:

τμήμα βάση

μήκος

0 219 600

1 2300

14

2 90 100

3 1327

580

4 1952

96

Ποιες φυσικές διευθύνσεις αντιστοιχούν στις παρακάτω λογικές διευθύνσεις;

i. 0,430ii. 1,10iii. 2,500iv. 3,400v. 4,112


Άσκηση - 36Τρεις διεργασίες A,B,C φορτώνονται στην κεντρική μνήμη. Οι απαιτήσεις τους φαίνονται στον παρακάτω πίνακα:

ProcessCode

SegmentData

SegmentStack

Segment

A 492 438 2009

B 4034 1030 610

C 8900 914 1120Το Λ.Σ. υποστηρίζει σελιδοποίηση με μέγεθος σελίδας 512 bytes. Ποιο ποσό φυσικής μνήμης σπαταλιέται για καθεμία από τις διεργασίες λόγω κατακερματισμού; Τι είδους είναι ο κατακερματισμός;

Υποθέστε ότι το Λ.Σ. (και το hardware) μπορεί να υποστηρίξει κατάτμηση με μέγεθος σελίδας 512 bytes. Κάθε τμήμα μπορεί να φορτωθεί ξεχωριστά. Ποιο ποσό φυσικής μνήμης σπαταλιέται λόγω κατακερματισμού; (θεωρείστε ότι κάθε τμήμα καταλαμβάνει ακέραιο αριθμό σελίδων και ότι ξεκινά στα όρια της σελίδας).



• Ένα σύστημα χρησιμοποιεί ως εικονικές διευθύνσεις 2048 σελίδες μεγέθους η κάθε μία 256 bytes και αντιστοιχείται σε μια φυσική μνήμη 512 πλαισίων. Η μικρότερη μονάδα προσπέλασης είναι 1 byte.1. μια διεργασία P1 χρησιμοποιεί 1053 bytes. Πόσα πλαίσια

σελίδων θα απαιτήσει από την MMU (Memory Management Unit – μονάδα διαχείρισης μνήμης);

2. μια άλλη διεργασία P2 απαιτεί 4000 bytes. Θεωρείστε ότι η P2 έχει ήδη αποκτήσει μέγεθος φυσικής μνήμης 2048 bytes, που ξεκινά από τη διεύθυνση 0. Έστω ότι o επεξεργαστής χρειάζεται να προσπελάσει τη διεύθυνση : 10η σελίδα, μετατόπιση 34, στο πρόγραμμα της διεργασίας P2. Μπορεί να υπάρξει σφάλμα σελίδας; Δικαιολογείστε την απάντησή σας.



• Ένα σύστημα εικονικής μνήμης χρησιμοποιεί σελιδοποίηση με εικονικές διευθύνσεις μεγέθους 64 bits και μέγεθος σελίδας 16ΚΒ. Κάθε είσοδος στον πίνακα σελίδων απαιτεί 128 bits. Ο πίνακας σελίδων πρέπει να χωρά σε μία σελίδα. Πόσα επίπεδα πινάκων σελίδων απαιτούνται και πόσες είσοδοι υπάρχουν στον πίνακα σελίδων σε κάθε επίπεδο;


Άσκηση – 39 (Ιούνιος 2004)

• Σε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί σελιδοποίηση κάθε είσοδος στον πίνακα σελίδων έχει μέγεθος 4 bytes. Το μέγεθος σελίδας είναι 4K. Αν ο εικονικός χώρος διευθύνσεων χρησιμοποιεί 64 bits και με την προϋπόθεση ότι ο πίνακας σελίδων χωρά σε μια σελίδα :

• μπορεί το σύστημα να χρησιμοποιεί απλή σελιδοποίηση ; Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας.

• αν απαιτείται σελιδοποίηση πολλαπλών επιπέδων , διατηρώντας τις προηγούμενες παραδοχές (δηλαδή ότι ο εικονικός χώρος διευθύνσεων χρησιμοποιεί 64 bits και κάθε πίνακας σελίδων χωρά σε μια σελίδα μεγέθους 4K) να βρείτε πόσα τουλάχιστον επίπεδα πρέπει να χρησιμοποιήσει μια σελιδοποίηση πολλαπλών επιπέδων.


Άσκηση - 40

Θεωρείστε μια αρχιτεκτονική λογικής μνήμης με τις ακόλουθες παραμέτρους :

• Μνήμη που διευθυνσιοδοτείται ανά byte • 24-bit λογικές διευθύνσεις • Μέγεθος segment 2 ΜΒ• Μέγεθος σελίδας 512 bytes

Κάθε πίνακας σελίδων πρέπει να χωρά σε μια σελίδα. Υποθέστε ότι κάθε καταχώρηση στον πίνακα σελίδων περιέχει ένα read και ένα write bit προστασίας και ότι το μέγιστο ποσό φυσικής μνήμης που υποστηρίζεται από την αρχιτεκτονική είναι 8MB. Σχεδιάστε τη λογική διεύθυνση, δείχνοντας τον αριθμό των bits που χρησιμοποιούνται ως δείκτης σε κάθε επίπεδο των πινάκων σελίδων. (Υπόδειξη: Πρέπει να υπολογίσετε το μέγεθος κάθε καταχώρησης (PTE) στον πίνακα σελίδων. Ως ενδιάμεσο βήμα, ίσως θεωρήσετε χρήσιμο να υπολογίσετε τον αριθμό που χωρούν στη φυσική μνήμη. Μετά, πόσα bits σε κάθε PTE απαιτούνται για να σχεδιάσετε μία από αυτές τις σελίδες; Προσθέστε τα 2 bits προστασίας για να υπολογίσετε το μέγεθος κάθε PTE.)


Λύση Άσκησης 40

• Από τις αρχικές παραμέτρους προκύπτει :• Μέγεθος segment 2MB=2*1MB=2*220=221 bits• Εφόσον η λογική διεύθυνση έχει 24 bits

απομένουν 24-21=3 bits για τον αριθμό segments

• Επειδή μέγεθος σελίδας = 512 bytes =29 bits =offset και απομένουν 21-9=12 bits για τον αριθμό σελίδας (page number)


• Με μέγεθος φυσικής μνήμης 8ΜΒ =223 bits για τον αριθμό πλαισίων απομένουν 23-9=14 bits (ο αριθμός πλαισίων αναφέρεται και ως πλήθος των σελίδων φυσικής μνήμης (Physical Page Number))

• (με τον γνωστό τρόπο το πλήθος των σελίδων φυσικής μνήμης είναι 223/29=214

δηλαδή απαιτούνται 14 bits για το πλήθος των σελίδων φυσικής μνήμης).

• Άρα κάθε καταχώρηση (entry) στον πίνακα σελίδων απαιτεί 14 +2 (read-write) = 16 bits = 2 bytes


• Για να χωρά κάθε πίνακας σελίδων σε μια σελίδα (=29 bits) ο μέγιστος αριθμός PTE (Page Table Entries) θα είναι 29/2=28

• Άρα το πολύ 8 bits μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δείκτης στον πίνακα σελίδων που χωρά σε μια σελίδα.

• Επειδή βρήκαμε ότι το πλήθος των bits που χρησιμοποιούνται για σελίδες είναι 12 έχουμε τουλάχιστον σελιδοποίηση με ένα επίπεδο 8 bits και ένα με 4 bits (δηλαδή συνολικά 2 επίπεδα).


• Από αυτά το επίπεδο των 4 bits είναι το εξωτερικό (πλησιέστερα προς το segment) και το επίπεδο των 8 bits το εσωτερικό (πλησιέστερα προς το offset) :


Άσκηση - 41

• Δίνεται η παρακάτω μορφή λογικής διεύθυνσης :

Να βρεθούν :

1. Το πλήθος των segments

2. Το μέγιστο μέγεθος κάθε segment

3. Το μέγεθος κάθε σελίδας

4. Το μέγιστο πλήθος σελίδων ανά segment

5. Το μέγιστο μέγεθος κάθε πίνακα σελίδας (ανά τμήμα). Υποθέστε ότι κάθε καταχώρηση στον πίνακα σελίδων (PTE) απαιτεί 4 bytes


Άσκηση - 42

• Ένα σύστημα χρησιμοποιεί διευθύνσεις των 32 bits και έχει κεντρική μνήμη 4MB. Το μέγεθος σελίδας είναι 1K. Ποιο είναι το μέγεθος του πίνακα σελίδων;


Λύση άσκησης 42

• Ο πίνακας σελίδων περιέχει το πεδίο του αριθμού σελίδας της εικονικής διεύθυνσης. Έτσι το πλήθος των γραμμών στον πίνακα σελίδων είναι ίσο με τον αριθμό των εικονικών σελίδων:– Εικονικές σελίδες = 232/210=222=4Μ σελίδες

• Το πλάτος κάθε γραμμής στον πίνακα σελίδων είναι ίσο με το πλάτος του αριθμού σελίδας στην εικονική διεύθυνση δηλ. 22 bits. Άρα το μέγεθος του πίνακα σελίδων είναι :– Μέγεθος πίνακα σελίδων = πλήθος γραμμών * μέγεθος

γραμμής– Μέγεθος πίνακα σελίδων = 222*22 bits =11.5 Mbytes!!


Άσκηση - 43

• Ένα σύστημα χρησιμοποιεί χώρο διευθύνσεων 32 bits και έχει μέγεθος σελίδας 8Κ. Ο πίνακας σελίδων βρίσκεται εξ ολοκλήρου στο υλικό και κάθε είσοδός του έχει μήκος 32 bits. Όταν μια διεργασία καθίσταται εκτελέσιμη ο πίνακας σελίδων αντιγράφεται από το υλικό στη μνήμη με ταχύτητα 100nsec για κάθε είσοδό του. Αν κάθε διεργασία εκτελείται για 100msec (περιλαμβάνεται ο χρόνος φόρτωσης του πίνακα σελίδων), να βρεθεί το ποσοστό % του χρόνου της CPU που αφιερώνεται για τη φόρτωση του πίνακα σελίδων, για κάθε διεργασία.


Άσκηση - 44

• Ένα σύστημα κρατά τους πίνακες σελίδων των διεργασιών στην κύρια μνήμη. Ο χρόνος ανάγνωσης μιας εισόδου του πίνακα σελίδων είναι 50nsec. Για να μειωθεί η καθυστέρηση το σύστημα χρησιμοποιεί TLB στο οποίο η αναζήτηση διαρκεί 10nsec. Ποιο πρέπει να είναι το ποσοστό επιτυχίας (hit – rate) του TLB ώστε ο χρόνος ανάγνωσης να μειωθεί σε 20nsec;


Άσκηση – 45 (Ιούνιος 2005)

• Ένα σύστημα σελιδοποίησης χρησιμοποιεί διευθύνσεις των 16 bits, με μέγεθος σελίδας 4K και συνολικά 8 πλαίσια φυσικής μνήμης. Δίνονται οι πίνακες σελίδων των διεργασιών P1 και P2.

P1 P2

0 0 0 3

1 4 1 1

2 5 2 7

3 2 3 6


• Να βρεθούν οι φυσικές διευθύνσεις των παρακάτω λογικών διευθύνσεων:– Λογική διεύθυνση 15000 της διεργασίας P1– Λογική διεύθυνση 12000 της διεργασίας P2

• Να δώσετε αναλυτικά τα βήματα που οδηγούν στο τελικό αποτέλεσμα.


Άσκηση – 46

• Ένα σύστημα χρησιμοποιεί απλή σελιδοποίηση μνήμης με μέγεθος σελίδας 1024bytes. Το μέγιστο μέγεθος του χώρου διευθύνσεων μιας διεργασίας είναι 16 MB ενώ η μνήμη του συστήματος είναι 2MB. Ο πίνακας σελίδων της τρέχουσας διεργασίας περιέχει τα εξής :page Frame number

0 4

1 8

2 16

3 17

4 9


1. πόσα bits απαιτούνται για κάθε είσοδο του πίνακα σελίδων?

2. ποιο είναι το μέγιστο μέγεθος εισόδων σε ένα πίνακα σελίδων;

3. πόσα bits υπάρχουν σε μια εικονική διεύθυνση;

4. σε ποια φυσική διεύθυνση αντιστοιχεί η εικονική διεύθυνση 1524;

5. σε ποια εικονική διεύθυνση μεταφράζεται η φυσική διεύθυνση 10020?

8. Ιδεατή Μνήμη – Οργάνωση

Documents

Transcript of 8. Ιδεατή Μνήμη – Οργάνωση